§ 54. Ферромагнетизм

Особый класс магнетиков образуют вещества, спо­собные обладать намагничением даже в отсутствие внешнего магнитного поля. По своему наиболее распро­страненному представителю — железу — они получили название ферром.агнетиков. К их числу принад­лежат железо, никель, кобальт, гадолиний, их сплавы и соединения, а также некоторые сплавы и соединения марганца и хрома с иеферромагнитными элементами (например, MnAlCu, СгТе и т. д.). В последнее время большую роль стали играть ферромагнитные нолупро-воданшн (см. § 72), называемые ферритами. Ферро­магнетизм присущ всем этим веществам только в кри­сталлическом .состоянии.

Ферромащетики являются сильномагнитными веще­ствами— их намагничение в огромное (до 10J0) число раз превосходит намагничение диа- и парамагнетиков, принадлежащих к категории слабомагаитных веществ.

■Намагничение слабомагаитных веществ изменяется с    напряженностью   поля   линейно. Намагничение

ферромагнетиков зависит от Я сложным образом. На рис. 101 дана кривая намагничения ферромагнетика, маг­нитный момент которого первоначально был равен нулю {она называется основной или нулевой кривой на< магничения). Уже в полях порядка нескольких эрстед (~ 100 а/м) намагничение / достигает насыще­ния. Основная кривая намагничения на диаграмме fi — Я приведена на рис. 102 (кривая 0—Напомним,

 

 

что В = ц0 (Я + J). Поэтому по достижении насыщения fi продолжает расти с Я по линейному закону: fi =

= ЦоН + COnst, Где COnst = ЦоЛтс-

Кривая намагничения железа была впервые полу­чена и подробно исследована русским ученым А. Г. Сто­летовым. Разработанный им баллистический метод из­мерения магнитной индукции находит широкое примене­ние до настоящего времени (см. § 57).

Кроме нелинейной зависимости между Я и / (или Я и fi) для ферромагнетиков характерно также наличие гистерезиса. Если довести намагничение до насы­щения (точка / на рис. 102) и затем уменьшать напря­женность магнитного поля, то намагничение следует не первоначальной кривой 0—/, а изменяется в соответ­ствии с кривой /—2. В результате, когда напряженность внешнего поля станет равной нулю (точка 2), намагни­чение не исчезает и характеризуется величиной Вг, ко­торая называется  остаточной  индукцией. На-

магничение имеет при этом значение jr, называемое остаточным намагничением.

Намагничение обращается в нуль (точка 3) лишь под действием поля Нс, имеющего направление, проти­воположное полю, вызвавшему намагничение. Напря­женность Нс называется коэрцитивной силой.

Существование остаточного намагничения делает воз­можным изготовление постоянных магнитов, т. е. тел, которые без затраты энергии на поддержание макроско­пических токов обладают магнитным моментом и со­здают в окружающем их пространстве магнитное поле. Очевидно, что постоянный магнит тем лучше сохраняет свои свойства, чем больше коэрцитивная сила мате­риала, из которого он изготовлен.

При действии на ферромагнетик переменного маг­нитного поля индукция изменяется в соответствии с кри­вой /—2—3—4—5—/ (рис. 102), которая называется Петлей гистерезиса (аналогичная петля полу­чается и на диаграмме / — Н). Если максимальные зна­чения Н таковы, что намагничение достигает насыщения, получается так называемая максимальная петля гистерезиса (сплошная петля на рис. 102). Ейш при амплитудных значениях Н насыщение не дости­гается, получается петля, называемая частным цик­лом (пунктирная петля на рисунке). Частных циклов может существовать бесконечное множество, все они ле­жат внутри максимальной петли гистерезиса.

Гистерезис приводит к тому, что намагничение фер* ромагнетика не является однозначной функцией Н; оно в сильной мере зависит также от предшествующей исто­рии образца — от того, в каких полях он побывал прежде. Так, например, в поле напряженности Я, (рис. 102) ин­дукция может  иметь любое значение в пределах ог

В\ до В".

Из всего сказанного о ферромагнетиках видно, что они очень похожи по своим свойствам на сегнетоэлек­трики (см. § 19).

В связи с неоднозначностью зависимости В от Н по­нятие магнитной проницаемости применяется лишь к основной кривой намагничения. Относительная магнит­ная проницаемость ферромагнетиков ц. (а следователь­но и магнитная восприимчивость %) является функцией напряженности   поля.   На   рис. 103, а изображена

основная кривая намагничения. Проведем из начала координат прямую линию, проходящую через произволь­ную точку кривой. Тангенс угла наклона этой прямой пропорционален отношению В/Н, т. е. относительной маг­нитной проницаемости ц для соответствующего значения напряженности поля. При увеличении Н от нуля угол наклона (а значит и ц) сначала растет. В точке 2 он до­стигает максимума (прямая 0—2 является касательной к кривой), а затем убывает. На рис. 103,6 дан график зависимости р, от И. Из рисунка видно, что максималь­ное значение проницаемости достигается несколько раньше, чем насыщение. При неограниченном возраста­нии Н проницаемость асимптотически приближается к единице. Это следует из того, что / в выражении ц = 1 + J/H не может превысить значение /н»с-

ВеЛИЧИНЫ Вт (ИЛИ /г), Нс И Цтах ЯВЛЯЮТСЯ основ­ными характеристиками ферромагнетика. Если коэрци­тивная сила Не велика, ферромагнетик называется же­стким- Для него характерна широкая петля гистере­зиса. Ферромагнетик с малой Нс (и соответственно узкой петлей гистерезиса) называется мягким. В зави­симости от назначения берутся ферромагнетики с той или иной характеристикой. Так, для постоянных магни­тов употребляются жесткие ферромагнетики, а для сер­дечников трансформаторов — мягкие. В таблице приве­дены характеристики некоторых типичных ферромагне­тиков.

Ферромагнетики при намагничении деформируются. Это явление называется магнитострикцией. От-

носительное изменение линейных размеров образца при магнитострнкцяи невелико—-в полях порядка 105 а/м (~103 э) оно составляет 10~5—Ю-6. Знак эффекта за­висит от природы ферромагне­тика, ориентации кристалло­графических осей по отноше­нию к направлению магнит­ного поля и от напряженности поля. У некоторых ферромаг­нетиков при переходе от сла­бых полей к сильным знак магнитострикции изменяется на обратный.

Теория ферромагнетизма была создана Я. И. Френкелем и В. Гейзенбергом в 1928 г. Из опытов по изучению маг-нитомеханических явлений (см. § 51) следует, что ответ­ственными за магнитные свой­ства ферромагнетиков являют­ ся собственные (спиновые) магнитные моменты электро­нов. При определенных условиях в кристаллах могут возникать силы1), которые заставляют магнитные моменты электронов выстраиваться па­раллельно друг другу. В результате воз­никают об л а сти спонтанного (са­мопроизвольного) намагничения, которые называются также домёнами.: В пределах каждого домена ферромагч нетик спонтанно намагничен до насыще­ния и обладает определенным магнит­ным моментом. Направления этих мо­ментов для разных доменов различны (рис. 104),так что в отсутствие внешнего поля суммарный момент всего тела ра­вен нулю. Домены имеют размеры по­рядка 10~4—Ю-3 см. Действие поля на домены на разных стадиях процес­са намагничения оказывается различным. Вначале, при

слабых полях, наблюдается смещение границ доменов, в результате чего происходит увеличение тех доменов, моменты которых составляют с Н меньший угол, за счет доменов, у которых угол f> между векторами р,„ и Н больше. Например, домены / и 3 (рис. 104) увеличи­ваются за счет доменов 2 и 4. С увеличением напряжен­ности поля этот процесс идет все дальше и дальше, пока домены с меньшими г} (которые обладают в магнитном поле меньшей энергией) не поглотят целиком энерге­тически менее выгодные домены. На следующей Ьтадии имеет место поворот магнитных моментов домеиов в на­правлении поля. При этом моменты электронов в преде­лах домена поворачиваются одновременно, без нару­шения их строгой параллельности друг другу. Эти про­цессы (исключая небольшие смещения границ между доменами в очень слабых полях) являются необрати­мыми, что и служит причиной гистерезиса.

Для каждого ферромагнетика имеется определенная температура Тс, при которой области спонтанного на­магничения распадаются и вещество утрачивает ферро­магнитные свойства. Эта температура называется точ­кой Кюри. Для железа она равна 768°С, для никеля 365° С. При температуре выше точки Кюри ферромагне­тик становится обычным парамагнетиком, магнитная восприимчивость которого подчиняется закону Кюри — Вейсса

[ср. с формулой (53.1)].

При охлаждении ферромагнетика ниже точки Кюри в нем снова возникают домены.

В точке Кюри присходит фазовый переход второго рода (см. т. I, § 147). При. температуре, равной Тс, на­блюдается аномалия в поведении ряда физических свойств, в частности теплоемкости, ферромагнетика.

В некоторых случаях обменные силы приводят к воз­никновению так называемых антиферромагнети­ков (хром, марганец и др.). Существование антифер­ромагнетиков было предсказано Л. Д. Ландау в 1933 г. В антиферромагнетиках собственные магнитные момен­ты электронов самопроизвольно ориентированы антипа-раллельно друг другу. Такая ориентация охватывает по-

парно соседние атомы. В результате антиферромагне­тики обладают крайне малой магнитной восприимчи­востью и ведут себя как очень слабые парамагнетики. Для антиферромагнетиков также существует темпера­тура Tn, при которой антипараллельная ориентация спи­нов исчезает. Эта температура называется ант и фер­ромагнитной точкой Кюри или точкой Нее л я. У некоторых антиферромагнетиков (например, у эрбия, диспрозия, сплавов марганца и меди) таких температур две (верхняя и нижняя точки Нееля), при­чем антиферромагнитные свойства наблюдаются только при промежуточных температурах. Выше верхней точки вещество ведет себя как парамагнетик, а при темпера­турах, меньших нижней точки Нееля, становится ферро* магнетиком.